CN115441960B - 基于量子网络的先请求先服务纠缠路由方法和装置 - Google Patents

基于量子网络的先请求先服务纠缠路由方法和装置 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种基于量子网络的先请求先服务纠缠路由方法及装置。所述方法包括：将量子纠缠分发网络抽象为一个有向图模型，有向图包括节点集、边集和链路损耗矩阵集；利用改进的Dijkstra算法依次找到从纠缠光子源到每个配对用户的最低损耗路径，构建锁定函数将路由路径中所有节点的相关输入输出端口标记为使用状态，构建释放函数，当第一用户节点和第二用户节点请求释放路径资源时，利用释放函数释放第一路由路径和第二路由路径消耗的纠缠网络链路资源。采用本方法能够提高纠缠分发网络路由效率。

Description

基于量子网络的先请求先服务纠缠路由方法和装置
技术领域
本申请涉及数据处理技术领域，特别是涉及一种基于量子网络的先请求先服务纠缠路由方法、装置、计算机设备和存储介质。
背景技术
量子网络可以生成、交换和处理量子信息。通过建立远距离的纠缠连接，量子网络可以支持大量经典网络无法实现的重要应用，例如高度安全的通信，分布式量子计算，远程量子时钟同步和分布式量子传感。
到目前为止，许多可信中继量子网络已经成功实现，例如DARPA量子网络、SECOQCQKD网络、东京QKD网络，以及超过4,600公里的空对地量子网络。尽管可信中继量子网络迈出了通往量子互联网第一步，但其不允许端到端的量子比特传输。另一方面，现阶段构建量子存储网络仍面临着诸多挑战，主要来源于整体存储和检索效率的技术瓶颈。目前，量子网络现在已经步入纠缠分发网络阶段。
建立纠缠连接一直是大规模长距离量子网络中的关键挑战。为了解决这个问题，一个使用密集波分复用策略的全连接网络在2018年被首次提出。然而，n个用户需要O(n2)个波长通道的特点使该网络难以扩展到大规模的用户。之后，一个采用无源分束器和密集波分复用器的城域范围全连接量子网络在2020年被成功部署，并将网络对波长通道的要求降低到O(n)。最近，利用波长选择开关(WSS)进行自适应带宽管理的灵活可配置纠缠网络被提出，从而满足了特定拓扑网络中远距离用户的动态连接需求。
然而，当前的量子网络路由算法只适用于未来的量子存储网络，无法直接应用于当前的纠缠分发网络，纠缠分发网络路由效率低。因此，在构建具有各种拓扑结构的大规模纠缠分发网络时，迫切需要一种采用主动波长复用的纠缠路由方案。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高纠缠分发网络路由效率的基于量子网络的先请求先服务纠缠路由方法、装置、计算机设备和存储介质。
一种基于量子网络的先请求先服务纠缠路由方法，所述方法包括：
步骤1：获取量子纠缠分发网络，将量子纠缠分发网络抽象成有向图；有向图包括节点集、边集和链路损耗矩阵集；节点集由纠缠光子源、用户和波长路由设备组成；边集包括节点之间的量子链路；链路损耗矩阵集为网络任意两点之间的链路损耗矩阵的集合；
步骤2：对节点集进行建模，得到节点集的向量表示；
步骤3：对边集进行建模，得到边集的向量表示，根据边集的向量表示对任意两点间的链路损耗矩阵进行推导，得到链路损耗矩阵集；
步骤4：根据第一用户节点请求的波长信道，利用改进后的Dijkstra算法对节点集中纠缠光子源节点到第一用户节点之间的路径进行计算，得到第一路由路径；
步骤5：构建锁定函数；利用锁定函数占用第一路由路径消耗的纠缠网络链路资源；锁定函数用于根据第一用户节点请求的波长通道和第一路由路径将第一路由路径中所有节点的相关输入输出端口标记为使用状态；
步骤6：根据第二用户节点请求的波长信道，利用改进后的Dijkstra算法对所述节点集中纠缠光子源节点到第二用户节点之间的路径进行计算，得到第二路由路径；
步骤7：利用锁定函数将第二路由路径中所有节点的相关输入输出端口标记为使用状态；
步骤8：构建释放函数，当第一用户节点和第二用户节点请求释放路径资源时，利用释放函数将第一路由路径和第二路由路径中所有节点的端口恢复为未使用状态，从而释放第一路由路径和第二路由路径消耗的纠缠网络链路资源。
在其中一个实施例中，对节点集进行建模，得到节点集的向量表示,包括：
将节点集中的每个节点定义为一个二元向量；二元向量包括传递损失矩阵向量和支持的波长信道向量；损失矩阵向量包含多维矩阵；多维矩阵包括多个通道矩阵；
根据节点是否支持波分复用确定支持的波长信道向量的值，对支持的波长信道向量进行计算，得到支持的波长信道的划分数量；
根据划分数量确定通道矩阵的数量。
在其中一个实施例中，对边集进行建模，得到边集的向量表示，根据边集的向量表示对任意两点间的链路损耗矩阵进行推导，得到链路损耗矩阵集，包括：
将从节点vi的第α端口到节点vj的第β端口的边定义为一个五元向量，形式化表示为其中/>是链路损失；
如果节点vi的第α端口和节点vj的第β端口间没有链路，则根据各个节点的各端口之间的链路损失构建链路损耗矩阵集。
在其中一个实施例中，第一用户节点为节点集中除纠缠光子源节点外的任意一个节点；根据第一用户节点请求的波长信道，利用改进后的Dijkstra算法对所述节点集中纠缠光子源节点到第一用户节点之间的路径进行计算，得到第一路由路径，包括：
步骤4.1：用(L,P,U)＝Initial(V,C,s)初始化有向图，其中 和β＝1,2,…,mα；mα是节点α的端口总数，/>是从纠缠光子源节点s到节点α的第β端口的链路损失，/>是由纠缠光子源节点s到节点α的第β个端口的边组成的向量，/>表示节点α的第β个端口是否被访问，0表示未访问，1表示已访问，如果节点α的第β端口没有直接连接到纠缠光子源节点s，则/>和/>初始化时U中/>其他元素为0；
步骤4.2：找到未访问过端口中路径损失值最低的端口，输出其节点索引q和端口索引α，同时设置来更新访问过的端口向量U，对于任意的δ∈{1,2,…,k}和其中/>和/>
步骤4.3：如果q＝i，输出路径并停止；否则，对于波长通道chi，得到节点vq的传递损失矩阵为M＝GM(vq,chi)；其中chi表示节点i请求的波长通道，GM()表示传递损失矩阵的函数，如果/>返回步骤4.2；其中M有三种情况：
步骤4.4：如果获取锁定端口γ＝M[α][α]；如果γ＝∞，则将M的第α作为损失向量X；否则，设置/>将X[γ]更新为M[α][γ]；之后，设置r＝1和β＝1；
步骤4.5：计算Z＝XT+Cqr[:,β]，其中Cqr[:,β]表示Cqr的第β列，通过y＝min_index(Z)得到Z中最小值的行索引y；其中，Cqr表示任意两点之间的链路损耗矩阵的集合，Z表示临时存储变量；
步骤4.6：如果通过/>更新损失并且将路径/>更新为再通过β＝β+1访问下一个端口；否则，通过β＝β+1访问下一个端口；/>表示从节点vi的第α端口到节点vj的第β端口的边，/>是链路损失；
步骤4.7：如果β＞mr，更新节点索引r＝r+1并转到步骤4.8；否则，返回步骤4.5；mr表示节点r的端口总数；
步骤4.8：如果r＞k，返回步骤4.2；否则，设置β＝1并返回步骤4.5。
在其中一个实施例中，锁定函数为V＝Lock(V,px,chx)，其中x表示节点的序号；根据第一用户节点请求的波长通道和第一路由路径中所有节点的相关输入输出端口通过Lock操作标记为使用状态，还包括：
V＝Lock(V,px,chx)实现方式为：对于路径px中的任意相邻边a和b，a[3]＝b[1]，当Ta[3]≥0时，首先通过M＝GM(va[3],chx)获取节点a[3]的传递损失矩阵，然后通过M[a[4]][a[4]]＝b[2]和M[b[2]][b[2]]＝a[4]更改传递损失矩阵中相应元素的值，其中，Ta[3]表示节点a[3]支持的波长信道向量。
在其中一个实施例中，释放函数为V＝unlock(V,px,chx)，其中x表示节点的序号；构建释放函数，当第一用户节点和第二用户节点请求释放路径资源时，利用释放函数将第一路由路径和第二路由路径中所有节点的端口恢复为未使用状态，从而释放第一路由路径和第二路由路径消耗的纠缠网络链路资源，还包括：
释放函数V＝unlock(V,px,chx)用于释放用户节点x所使用的路径资源，实现方式为：对于路径px中的任意相邻边a和b，a[3]＝b[1]，当Ta[3]≥0时，首先通过M＝GM(va[3],chx)获取节点a[3]的传递损失矩阵，然后通过M[a[4]][a[4]]＝∞和M[b[2]][b[2]]＝∞恢复传递损失矩阵中相应元素的值，其中，Ta[3]表示节点a[3]支持的波长信道向量。
一种基于量子网络的先请求先服务纠缠路由装置，所述装置包括：
抽象模块，用于获取量子纠缠分发网络，将量子纠缠分发网络抽象成有向图；有向图包括节点集、边集和链路损耗矩阵集；节点集由纠缠光子源、用户和波长路由设备组成；边集包括节点之间的量子链路；链路损耗矩阵集为网络任意两点之间的链路损耗矩阵的集合；
节点集建模模块，用于对节点集进行建模，得到节点集的向量表示；
边集建模模块，用于对边集进行建模，得到边集的向量表示，根据边集的向量表示对任意两点间的链路损耗矩阵进行推导，得到链路损耗矩阵集；
第一路由路径计算模块，用于根据第一用户节点请求的波长信道，利用改进后的Dijkstra算法对节点集中纠缠光子源节点到第一用户节点之间的路径进行计算，得到第一路由路径；
锁定函数模块，用于构建锁定函数；利用锁定函数占用第一路由路径消耗的纠缠网络链路资源；锁定函数根据第一用户节点请求的波长通道和第一路由路径将第一路由路径中所有节点的相关输入输出端口标记为使用状态；
第二路由路径计算模块，用于根据第二用户节点请求的波长信道，利用改进后的Dijkstra算法对节点集中纠缠光子源节点到第二用户节点之间的路径进行计算，得到第二路由路径；
锁定模块，用于利用锁定函数将第二路由路径中所有节点的相关输入输出端口标记为使用状态；
释放路径资源模块，用于构建释放函数，当第一用户节点和第二用户节点请求释放路径资源时，利用释放函数将第一路由路径和第二路由路径中所有节点的端口恢复为未使用状态，从而释放第一路由路径和第二路由路径消耗的纠缠网络链路资源。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
步骤1：获取量子纠缠分发网络，将量子纠缠分发网络抽象成有向图；有向图包括节点集、边集和链路损耗矩阵集；节点集由纠缠光子源、用户和波长路由设备组成；边集包括节点之间的量子链路；链路损耗矩阵集为网络任意两点之间的链路损耗矩阵的集合；
步骤2：对节点集进行建模，得到节点集的向量表示；
步骤3：对边集进行建模，得到边集的向量表示，根据边集的向量表示对任意两点间的链路损耗矩阵进行推导，得到链路损耗矩阵集；
步骤4：根据第一用户节点请求的波长信道，利用改进后的Dijkstra算法对节点集中纠缠光子源节点到第一用户节点之间的路径进行计算，得到第一路由路径；
步骤5：构建锁定函数；利用锁定函数占用第一路由路径消耗的纠缠网络链路资源；锁定函数用于根据第一用户节点请求的波长通道和第一路由路径将第一路由路径中所有节点的相关输入输出端口标记为使用状态；
步骤6：根据第二用户节点请求的波长信道，利用改进后的Dijkstra算法对所述节点集中纠缠光子源节点到第二用户节点之间的路径进行计算，得到第二路由路径；
步骤7：利用锁定函数将第二路由路径中所有节点的相关输入输出端口标记为使用状态；
步骤8：构建释放函数，当第一用户节点和第二用户节点请求释放路径资源时，利用释放函数将第一路由路径和第二路由路径中所有节点的端口恢复为未使用状态，从而释放第一路由路径和第二路由路径消耗的纠缠网络链路资源。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
步骤1：获取量子纠缠分发网络，将量子纠缠分发网络抽象成有向图；有向图包括节点集、边集和链路损耗矩阵集；节点集由纠缠光子源、用户和波长路由设备组成；边集包括节点之间的量子链路；链路损耗矩阵集为网络任意两点之间的链路损耗矩阵的集合；
步骤2：对节点集进行建模，得到节点集的向量表示；
步骤3：对边集进行建模，得到边集的向量表示，根据边集的向量表示对任意两点间的链路损耗矩阵进行推导，得到链路损耗矩阵集；
步骤4：根据第一用户节点请求的波长信道，利用改进后的Dijkstra算法对节点集中纠缠光子源节点到第一用户节点之间的路径进行计算，得到第一路由路径；
步骤5：构建锁定函数；利用锁定函数占用第一路由路径消耗的纠缠网络链路资源；锁定函数用于根据第一用户节点请求的波长通道和第一路由路径将第一路由路径中所有节点的相关输入输出端口标记为使用状态；
步骤6：根据第二用户节点请求的波长信道，利用改进后的Dijkstra算法对所述节点集中纠缠光子源节点到第二用户节点之间的路径进行计算，得到第二路由路径；
步骤7：利用锁定函数将第二路由路径中所有节点的相关输入输出端口标记为使用状态；
步骤8：构建释放函数，当第一用户节点和第二用户节点请求释放路径资源时，利用释放函数将第一路由路径和第二路由路径中所有节点的端口恢复为未使用状态，从而释放第一路由路径和第二路由路径消耗的纠缠网络链路资源。
上述基于量子网络的先请求先服务纠缠路由方法、装置、计算机设备和存储介质，本申请首先将量子纠缠分发网络对量子纠缠分发网络进行了数学建模，将其建模为一个具有节点，边，权重的有向图，与现有的量子网络建模方法相比，不再将设备单纯的简化为一个节点，而是创造性地将设备各端口之间的连接情况建立为一个链路损耗矩阵，具有更高的科学性和实用性，同时针对每个支持的波长通道考虑了节点内部所有端口之间的通过损耗矩阵进而在释放路由路径时可以充分考虑端口之间的路由损耗，使得路由算法可以应用到量子纠缠分发网络中，然后对Dijkstra算法进行了改进依次找到从纠缠光子源到每个配对用户的最低损耗路径，解决了以往的路由方法只将设备抽象成一个点，因此不能直接应用于量子纠缠分发网络的问题，填补了纠缠分发网络路由方案领域的技术空白，最后根据用户请求的先后顺序为其分配波长和路径资源，与现有技术相比，能有效解决用户间的资源竞争问题，提高纠缠分发网络路由效率。
附图说明
图1为一个实施例中一种基于量子网络的先请求先服务纠缠路由方法的流程示意图；
图2为一个实施例中一种基于量子网络的先请求先服务纠缠路由方法的示意框图；
图3为一个实施例中改进的的Dijkstra算法工作流程图；
图4为一个实施例中一种基于量子网络的先请求先服务纠缠路由装置的结构框图；
图5为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图2所示，提供了一种基于量子网络的先请求先服务纠缠路由方法，包括以下步骤：
步骤1：获取量子纠缠分发网络，将量子纠缠分发网络抽象成有向图；有向图包括节点集、边集和链路损耗矩阵集；节点集由纠缠光子源、用户和波长路由设备组成；边集包括节点之间的量子链路；链路损耗矩阵集为网络任意两点之间的链路损耗矩阵的集合。
纠缠光子源提供和控制纠缠光子的波长切换；波长路由设备负责将纠缠的带宽划分为多个波长通道，并通过OS(光开关)、WSS(波长选择开关)和其他波长交换设备将它们路由到远距离用户；用户执行各种协议来生成安全密钥、同步他们的时钟等等；量子链路在设备间传递纠缠光子，包括光纤和自由空间链路。将纠缠分发网络抽象成有向图G＝<V,E,C>，通过将量子纠缠分发网络对量子纠缠分发网络进行了数学建模，将其建模为一个具有节点，边，权重(路径损耗)的有向图，与现有的量子网络建模方法相比，不再将设备单纯的简化为一个节点，而是创造性地将设备各端口之间的连接情况建立为一个链路损耗矩阵，具有更高的科学性和实用性，针对每个支持的波长通道考虑了节点内部所有端口之间的通过损耗矩阵进而在释放路由路径时可以充分考虑端口之间的路由损耗，使得路由算法可以应用到量子纠缠分发网络中。
步骤2：对节点集进行建模，得到节点集的向量表示。
对节点集进行建模，对k个节点组成的节点集合V，将每个节点定义为一个二元向量，其中1≤i≤k，Wi定义为传递损失矩阵向量，Ti是支持的波长信道向量。根据节点是否支持波分复用确定Ti的值，|Ti|(Ti的长度)表示vi支持的波长通道的划分数量。对于本专利中考虑的不同类型的vi，Ti定义为
根据|Ti|的值，将Wi定义为其中Wi j是vi的第j(j≤|Ti|)个波长通道的通过矩阵。定义为:
步骤3：对边集进行建模，得到边集的向量表示，根据边集的向量表示对任意两点间的链路损耗矩阵进行推导，得到链路损耗矩阵集。
对边集进行建模，将从节点vi的第α端口到节点vj的第β端口的边定义为一个五元向量，形式化表示为其中/>是链路损失，如果节点vi的第α端口和节点vj的第β端口间没有链路，则/>如果节点vi的第α端口和节点vj的第β端口间没有链路，则/>根据各个节点的各端口之间的链路损失构建链路损耗矩阵集。
步骤4：根据第一用户节点请求的波长信道，利用改进后的Dijkstra算法对节点集中纠缠光子源节点到第一用户节点之间的路径进行计算，得到第一路由路径。
如图3所示，对Dijkstra算法进行了改进，依次找到从纠缠光子源到每个配对用户的最低损耗路径，解决了以往的路由方法只将设备抽象成一个点，因此不能直接应用于量子纠缠分发网络的问题，填补了纠缠分发网络路由方案领域的技术空白。第一用户节点是指节点集中除纠缠光子源之外的任意一个用户节点。
步骤5：构建锁定函数；利用锁定函数占用第一路由路径消耗的纠缠网络链路资源；锁定函数用于根据第一用户节点请求的波长通道和第一路由路径将第一路由路径中所有节点的相关输入输出端口标记为使用状态。
步骤6：根据第二用户节点请求的波长信道，利用改进后的Dijkstra算法对所述节点集中纠缠光子源节点到第二用户节点之间的路径进行计算，得到第二路由路径。
第二用户节点为节点集中除纠缠光子源和第一用户节点之外的任意一个用户节点。计算得到第二路由路径的过程与得到第一路由路径的过程一样，在本申请中不再做过多的描述。
步骤7：利用锁定函数将第二路由路径中所有节点的相关输入输出端口标记为使用状态。
步骤8：构建释放函数，当第一用户节点和第二用户节点请求释放路径资源时，利用释放函数将第一路由路径和第二路由路径中所有节点的端口恢复为未使用状态，从而释放第一路由路径和第二路由路径消耗的纠缠网络链路资源。
如图2所示，利用释放函数将第一路由路径和第二路由路径中所有节点的端口恢复为未使用状态，从而释放第一路由路径和第二路由路径消耗的纠缠网络链路资源。
上述基于量子网络的先请求先服务纠缠路由方法中，本申请首先将量子纠缠分发网络对量子纠缠分发网络进行了数学建模，将其建模为一个具有节点，边，权重的有向图，与现有的量子网络建模方法相比，不再将设备单纯的简化为一个节点，而是创造性地将设备各端口之间的连接情况建立为一个链路损耗矩阵，具有更高的科学性和实用性，同时针对每个支持的波长通道考虑了节点内部所有端口之间的通过损耗矩阵进而在释放路由路径时可以充分考虑端口之间的路由损耗，使得路由算法可以应用到量子纠缠分发网络中，然后对Dijkstra算法进行了改进依次找到从纠缠光子源到每个配对用户的最低损耗路径，解决了以往的路由方法只将设备抽象成一个点，因此不能直接应用于量子纠缠分发网络的问题，填补了纠缠分发网络路由方案领域的技术空白，最后根据用户请求的先后顺序为其分配波长和路径资源，与现有技术相比，能有效解决用户间的资源竞争问题，提高纠缠分发网络路由效率。
在其中一个实施例中，对节点集进行建模，得到节点集的向量表示,包括：
将节点集中的每个节点定义为一个二元向量；二元向量包括传递损失矩阵向量和支持的波长信道向量；损失矩阵向量包含多维矩阵；多维矩阵包括多个通道矩阵；
根据节点是否支持波分复用确定支持的波长信道向量的值，对支持的波长信道向量进行计算，得到支持的波长信道的划分数量；
根据划分数量确定通道矩阵的数量。
在其中一个实施例中，对边集进行建模，得到边集的向量表示，根据边集的向量表示对任意两点间的链路损耗矩阵进行推导，得到链路损耗矩阵集，包括：
将从节点vi的第α端口到节点vj的第β端口的边定义为一个五元向量，形式化表示为其中/>是链路损失；
如果节点vi的第α端口和节点vj的第β端口间没有链路，则根据各个节点的各端口之间的链路损失构建链路损耗矩阵集。
在其中一个实施例中，第一用户节点为节点集中除纠缠光子源节点外的任意一个节点；根据第一用户节点请求的波长信道，利用改进后的Dijkstra算法对所述节点集中纠缠光子源节点到第一用户节点之间的路径进行计算，得到第一路由路径，包括：
步骤4.1：用(L,P,U)＝Initial(V,C,s)初始化有向图，其中 和β＝1,2,…,mα；mα是节点α的端口总数，/>是从纠缠光子源节点s到节点α的第β端口的链路损失，/>是由纠缠光子源节点s到节点α的第β个端口的边组成的向量，/>表示节点α的第β个端口是否被访问，0表示未访问，1表示已访问，如果节点α的第β端口没有直接连接到纠缠光子源节点s，则/>和/>初始化时U中/>其他元素为0；
步骤4.2：找到未访问过端口中路径损失值最低的端口，输出其节点索引q和端口索引α，同时设置来更新访问过的端口向量U，对于任意的δ∈{1,2,…,k}和其中/>和/>
步骤4.3：如果q＝i，输出路径并停止；否则，对于波长通道chi，得到节点vq的传递损失矩阵为M＝GM(vq,chi)；其中chi表示节点i请求的波长通道，GM()表示传递损失矩阵的函数，如果/>返回步骤2；其中M有三种情况：
步骤4.4：如果获取锁定端口γ＝M[α][α]；如果γ＝∞，则将M的第α作为损失向量X；否则，设置/>将X[γ]更新为M[α][γ]；之后，设置r＝1和β＝1；
步骤4.5：计算Z＝XT+Cqr[:,β]，其中Cqr[:,β]表示Cqr的第β列，通过y＝min_index(Z)得到Z中最小值的行索引y；其中，Cqr表示任意两点之间的链路损耗矩阵的集合，Z表示临时存储变量；
步骤4.6：如果通过/>更新损失并且将路径/>更新为再通过β＝β+1访问下一个端口；否则，通过β＝β+1访问下一个端口；/>表示从节点vi的第α端口到节点vj的第β端口的边，/>是链路损失；
步骤4.7：如果β＞mr，更新节点索引r＝r+1并转到步骤4.8；否则，返回步骤4.5；mr表示节点r的端口总数；
步骤4.8：如果r＞k，返回步骤4.2；否则，设置β＝1并返回步骤4.5。
在其中一个实施例中，锁定函数为V＝Lock(V,px,chx)，其中x表示节点的序号；根据第一用户节点请求的波长通道和第一路由路径中所有节点的相关输入输出端口通过Lock操作标记为使用状态，还包括：
V＝Lock(V,px,chx)实现方式为：对于路径px中的任意相邻边a和b，a[3]＝b[1]，当Ta[3]≥0时，首先通过M＝GM(va[3],chx)获取节点a[3]的传递损失矩阵，然后通过M[a[4]][a[4]]＝b[2]和M[b[2]][b[2]]＝a[4]更改传递损失矩阵中相应元素的值，其中，Ta[3]表示节点a[3]支持的波长信道向量。
在具体实施例中，更改传递损失矩阵中相应元素的值就是将相应元素对应的节点的相关输入输出端口标记为使用状态。
在其中一个实施例中，释放函数为V＝unlock(V,px,chx)，其中x表示节点的序号；构建释放函数，当第一用户节点和第二用户节点请求释放路径资源时，利用释放函数将第一路由路径和第二路由路径中所有节点的端口恢复为未使用状态，从而释放第一路由路径和第二路由路径消耗的纠缠网络链路资源，还包括：
释放函数V＝unlock(V,px,chx)用于释放用户节点x所使用的路径资源，实现方式为：对于路径px中的任意相邻边a和b，a[3]＝b[1]，当Ta[3]≥0时，首先通过M＝GM(va[3],chx)获取节点a[3]的传递损失矩阵，然后通过M[a[4]][a[4]]＝∞和M[b[2]][b[2]]＝∞恢复传递损失矩阵中相应元素的值，其中，Ta[3]表示节点a[3]支持的波长信道向量。
在具体实施例中，恢复传递损失矩阵中相应元素的值就是将相应元素对应的节点的相关输入输出端口恢复为未使用状态。
应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，如图4所示，提供了一种基于量子网络的先请求先服务纠缠路由装置，包括：抽象模块402、节点集建模模块404、边集建模模块406、第一路由路径计算模块408、锁定函数模块410、第二路由路径计算模块412、锁定模块414和释放路径资源模块416，其中：
抽象模块402，用于获取量子纠缠分发网络，将量子纠缠分发网络抽象成有向图；有向图包括节点集、边集和链路损耗矩阵集；节点集由纠缠光子源、用户和波长路由设备组成；边集包括节点之间的量子链路；链路损耗矩阵集为网络任意两点之间的链路损耗矩阵的集合；
节点集建模模块404，用于对节点集进行建模，得到节点集的向量表示；
边集建模模块406，用于对边集进行建模，得到边集的向量表示，根据边集的向量表示对任意两点间的链路损耗矩阵进行推导，得到链路损耗矩阵集；
第一路由路径计算模块408，用于根据第一用户节点请求的波长信道，利用改进后的Dijkstra算法对节点集中纠缠光子源节点到第一用户节点之间的路径进行计算，得到第一路由路径；
第一函数计算模块410，用于构建锁定函数；利用锁定函数占用第一路由路径消耗的纠缠网络链路资源；锁定函数根据第一用户节点请求的波长通道和第一路由路径将第一路由路径中所有节点的相关输入输出端口标记为使用状态；
第二路由路径计算模块412，用于根据第二用户节点请求的波长信道，利用改进后的Dijkstra算法对节点集中纠缠光子源节点到第二用户节点之间的路径进行计算，得到第二路由路径；
锁定模块414，用于利用锁定函数将第二路由路径中所有节点的相关输入输出端口标记为使用状态；
释放路径资源模块416，用于构建释放函数，当第一用户节点和第二用户节点请求释放路径资源时，利用释放函数将第一路由路径和第二路由路径中所有节点的端口恢复为未使用状态，从而释放第一路由路径和第二路由路径消耗的纠缠网络链路资源。
在其中一个实施例中，节点集建模模块404还用于对节点集进行建模，得到节点集的向量表示,包括：
将节点集中的每个节点定义为一个二元向量；二元向量包括传递损失矩阵向量和支持的波长信道向量；损失矩阵向量包含多维矩阵；多维矩阵包括多个通道矩阵；
根据节点是否支持波分复用确定支持的波长信道向量的值，对支持的波长信道向量进行计算，得到支持的波长信道的划分数量；
根据划分数量确定通道矩阵的数量。
在其中一个实施例中，边集建模模块406还用于对边集进行建模，得到边集的向量表示，根据边集的向量表示对任意两点间的链路损耗矩阵进行推导，得到链路损耗矩阵集，包括：
将从节点vi的第α端口到节点vj的第β端口的边定义为一个五元向量，形式化表示为其中/>是链路损失；
如果节点vi的第α端口和节点vj的第β端口间没有链路，则根据各个节点的各端口之间的链路损失构建链路损耗矩阵集。
在其中一个实施例中，第一路由路径计算模块408还用于第一用户节点为节点集中除纠缠光子源节点外的任意一个节点；根据第一用户节点请求的波长信道，利用改进后的Dijkstra算法对节点集中纠缠光子源节点到第一用户节点之间的路径进行计算，得到第一路由路径，包括：
步骤4.1：用(L,P,U)＝Initial(V,C,s)初始化有向图，其中/>和β＝1,2,…,mα；mα是节点α的端口总数，/>是从纠缠光子源节点s到节点α的第β端口的链路损失，/>是由纠缠光子源节点s到节点α的第β个端口的边组成的向量，/>表示节点α的第β个端口是否被访问，0表示未访问，1表示已访问，如果节点α的第β端口没有直接连接到纠缠光子源节点s，则/>和/>初始化时U中/>其他元素为0；
步骤4.2：找到未访问过端口中路径损失值最低的端口，输出其节点索引q和端口索引α，同时设置来更新访问过的端口向量U，对于任意的δ∈{1,2,…,k}和其中/>和/>
步骤4.3：如果q＝i，输出路径并停止；否则，对于波长通道chi，得到节点vq的传递损失矩阵为M＝GM(vq,chi)；其中chi表示节点i请求的波长通道，GM()表示传递损失矩阵的函数，如果/>返回步骤2；其中M有三种情况：
步骤4.4：如果获取锁定端口γ＝M[α][α]；如果γ＝∞，则将M的第α行作为损失向量X；否则，设置/>将X[γ]更新为M[α][γ]；之后，设置r＝1和β＝1；
步骤4.5：计算Z＝XT+Cqr[:,β]，其中Cqr[:,β]表示Cqr的第β列，通过y＝min_index(Z)得到Z中最小值的行索引y；其中，Cqr表示任意两点之间的链路损耗矩阵的集合，Z表示临时存储变量；
步骤4.6：如果通过/>更新损失并且将路径/>更新为再通过β＝β+1访问下一个端口；否则，通过β＝β+1访问下一个端口；/>表示从节点vi的第α端口到节点vj的第β端口的边，/>是链路损失；
步骤4.7：如果β＞mr，更新节点索引r＝r+1并转到步骤4.8；否则，返回步骤4.5；mr表示节点r的端口总数；
步骤4.8：如果r＞k，返回步骤4.2；否则，设置β＝1并返回步骤4.5。
在其中一个实施例中，第一函数计算模块410还用于根据第一用户节点请求的波长通道和第一路由路径中所有节点的相关输入输出端口通过Lock操作标记为使用状态，还包括：
V＝Lock(V,px,chx)实现方式为：对于路径px中的任意相邻边a和b，a[3]＝b[1]，当Ta[3]≥0时，首先通过M＝GM(va[3],chx)获取节点a[3]的传递损失矩阵，然后通过M[a[4]][a[4]]＝b[2]和M[b[2]][b[2]]＝a[4]更改传递损失矩阵中相应元素的值，其中，Ta[3]表示节点a[3]支持的波长信道向量。
在其中一个实施例中，释放函数为V＝unlock(V,px,chx)，其中x表示节点的序号；构建释放函数，当第一用户节点和第二用户节点请求释放路径资源时，利用释放函数将第一路由路径和第二路由路径中所有节点的端口恢复为未使用状态，从而释放第一路由路径和第二路由路径消耗的纠缠网络链路资源，还包括：
释放函数V＝unlock(V,px,chx)用于释放用户节点x所使用的路径资源，实现方式为：对于路径px中的任意相邻边a和b，a[3]＝b[1]，当Ta[3]≥0时，首先通过M＝GM(va[3],chx)获取节点a[3]的传递损失矩阵，然后通过M[a[4]][a[4]]＝∞和M[b[2]][b[2]]＝∞恢复传递损失矩阵中相应元素的值，其中，Ta[3]表示节点a[3]支持的波长信道向量。
关于基于量子网络的先请求先服务纠缠路由装置的具体限定可以参见上文中对于基于量子网络的先请求先服务纠缠路由方法的限定，在此不再赘述。上述基于量子网络的先请求先服务纠缠路由装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图5所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种基于量子网络的先请求先服务纠缠路由方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本领域技术人员可以理解，图5中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种基于量子网络的先请求先服务纠缠路由方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：获取量子纠缠分发网络，将所述量子纠缠分发网络抽象成有向图；所述有向图包括节点集、边集和链路损耗矩阵集；所述节点集由纠缠光子源、用户和波长路由设备组成；所述边集包括节点之间的量子链路；所述链路损耗矩阵集为网络任意两点之间的链路损耗矩阵的集合；
步骤2：对所述节点集进行建模，得到节点集的向量表示；
步骤3：对所述边集进行建模，得到边集的向量表示，根据边集的向量表示对任意两点间的链路损耗矩阵进行推导，得到链路损耗矩阵集；
步骤4：根据第一用户节点请求的波长信道，利用改进后的Dijkstra算法对所述节点集中纠缠光子源节点到第一用户节点之间的路径进行计算，得到第一路由路径；
步骤5：构建锁定函数；利用锁定函数占用第一路由路径消耗的纠缠网络链路资源；所述锁定函数用于根据第一用户节点请求的波长通道和第一路由路径将第一路由路径中所有节点的相关输入输出端口标记为使用状态；
步骤6：根据第二用户节点请求的波长信道，利用改进后的Dijkstra算法对所述节点集中纠缠光子源节点到第二用户节点之间的路径进行计算，得到第二路由路径；
步骤7：利用所述锁定函数将第二路由路径中所有节点的相关输入输出端口标记为使用状态；
步骤8：构建释放函数，当所述第一用户节点和第二用户节点请求释放路径资源时，利用释放函数将第一路由路径和第二路由路径中所有节点的端口恢复为未使用状态，从而释放第一路由路径和第二路由路径消耗的纠缠网络链路资源；
对所述节点集进行建模，得到节点集的向量表示,包括：
将所述节点集中的每个节点定义为一个二元向量；所述二元向量包括传递损失矩阵向量和支持的波长信道向量；所述损失矩阵向量包含多维矩阵；所述多维矩阵包括多个通道矩阵；
根据节点是否支持波分复用确定支持的波长信道向量的值，对所述支持的波长信道向量进行计算，得到支持的波长信道的划分数量；
根据所述划分数量确定所述通道矩阵的数量；
对所述边集进行建模，得到边集的向量表示，根据边集的向量表示对任意两点间的链路损耗矩阵进行推导，得到链路损耗矩阵集，包括：
将从节点vi的第α端口到节点vj的第β端口的边定义为一个五元向量，形式化表示为其中/>是链路损失；
如果节点vi的第α端口和节点vj的第β端口间没有链路，则根据各个节点的各端口之间的链路损失构建链路损耗矩阵集。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一用户节点为节点集中除纠缠光子源节点外的任意一个节点；根据第一用户节点请求的波长信道，利用改进后的Dijkstra算法对所述节点集中纠缠光子源节点到第一用户节点之间的路径进行计算，得到第一路由路径，包括：
步骤4.1：用(L,P,U)＝Initial(V,C,s)初始化有向图，其中 α＝1,2,…,k和β＝1,2,…,mα；mα是节点α的端口总数，/>是从纠缠光子源节点s到节点α的第β端口的链路损失，/>是由纠缠光子源节点s到节点α的第β个端口的边组成的向量，/>表示节点α的第β个端口是否被访问，0表示未访问，1表示已访问，如果节点α的第β端口没有直接连接到纠缠光子源节点s，则/>和/>初始化时U中/>β＝1,2,…,ms，其他元素为0；
步骤4.2：找到未访问过端口中路径损失值最低的端口，输出其节点索引q和端口索引α，同时设置来更新访问过的端口向量U，对于任意的δ∈{1,2,…,k}和其中/>和/>
步骤4.3：如果q＝i，输出路径并停止；否则，对于波长通道chi，得到节点vq的传递损失矩阵为M＝GM(vq,chi)；其中chi表示节点i请求的波长通道,GM()表示获取传递损失矩阵的函数，如果/>返回步骤4.2；其中M有三种情况：
步骤4.4：如果获取锁定端口γ＝M[α][α]；如果γ＝∞，则将M的第α行作为损失向量X,X＝M[α,:]；否则，设置/>将X[γ]更新为M[α][γ]；之后，设置r＝1和β＝1；
步骤4.5：计算Z＝XT+Cqr[:,β]，其中Cqr[:,β]表示Cqr的第β列，通过y＝min_index(Z)得到Z中最小值的行索引y；其中，Cqr表示任意两点之间的链路损耗矩阵的集合，Z表示临时存储变量；
步骤4.6：如果通过/>更新损失并且将路径/>更新为/>再通过β＝β+1访问下一个端口；否则，通过β＝β+1访问下一个端口；/>表示从节点vi的第α端口到节点vj的第β端口的边，/>是链路损失；
步骤4.7：如果β＞mr，更新节点索引r＝r+1并转到步骤4.8；否则，返回步骤4.5；mr表示节点r的端口总数；
步骤4.8：如果r＞k，返回步骤4.2；否则，设置β＝1并返回步骤4.5。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述锁定函数为V＝Lock(V,px,chx)，其中x表示节点的序号；根据第一用户节点请求的波长通道和第一路由路径中所有节点的相关输入输出端口通过Lock操作标记为使用状态，还包括：
V＝Lock(V,px,chx)实现方式为：对于路径px中的任意相邻边a和b，a[3]＝b[1]，当Ta[3]≥0时，首先通过M＝GM(va[3],chx)获取节点a[3]的传递损失矩阵，然后通过M[a[4]][a[4]]＝b[2]和M[b[2]][b[2]]＝a[4]更改传递损失矩阵中相应元素的值，其中，Ta[3]表示节点a[3]支持的波长信道向量。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述释放函数为V＝unlock(V,px,chx)，其中x表示节点的序号；构建释放函数，当所述第一用户节点和第二用户节点请求释放路径资源时，利用释放函数将第一路由路径和第二路由路径中所有节点的端口恢复为未使用状态，从而释放第一路由路径和第二路由路径消耗的纠缠网络链路资源，还包括：
所述释放函数V＝unlock(V,px,chx)用于释放用户节点x所使用的路径资源，实现方式为：对于路径px中的任意相邻边a和b，a[3]＝b[1]，当Ta[3]≥0时，首先通过M＝GM(va[3],chx)获取节点a[3]的传递损失矩阵，然后通过M[a[4]][a[4]]＝∞和M[b[2]][b[2]]＝∞恢复传递损失矩阵中相应元素的值，其中，Ta[3]表示节点a[3]支持的波长信道向量。
5.一种基于量子网络的先请求先服务纠缠路由装置，其特征在于，所述装置包括：
抽象模块，用于获取量子纠缠分发网络，将所述量子纠缠分发网络抽象成有向图；所述有向图包括节点集、边集和链路损耗矩阵集；所述节点集由纠缠光子源、用户和波长路由设备组成；所述边集包括节点之间的量子链路；所述链路损耗矩阵集为网络任意两点之间的链路损耗矩阵的集合；
节点集建模模块，用于对所述节点集进行建模，得到节点集的向量表示，包括：将所述节点集中的每个节点定义为一个二元向量；所述二元向量包括传递损失矩阵向量和支持的波长信道向量；所述损失矩阵向量包含多维矩阵；所述多维矩阵包括多个通道矩阵；根据节点是否支持波分复用确定支持的波长信道向量的值，对所述支持的波长信道向量进行计算，得到支持的波长信道的划分数量；根据所述划分数量确定所述通道矩阵的数量；
边集建模模块，用于对所述边集进行建模，得到边集的向量表示，根据所述边集的向量表示对任意两点间的链路损耗矩阵进行推导，得到链路损耗矩阵集，包括：将从节点vi的第α端口到节点vj的第β端口的边定义为一个五元向量，形式化表示为其中/>是链路损失；如果节点vi的第α端口和节点vj的第β端口间没有链路，则/>根据各个节点的各端口之间的链路损失构建链路损耗矩阵集；
第一路由路径计算模块，用于根据第一用户节点请求的波长信道，利用改进后的Dijkstra算法对所述节点集中纠缠光子源节点到第一用户节点之间的路径进行计算，得到第一路由路径；
锁定函数模块，用于构建锁定函数；利用锁定函数占用第一路由路径消耗的纠缠网络链路资源；所述锁定函数根据第一用户节点请求的波长通道和第一路由路径将第一路由路径中所有节点的相关输入输出端口标记为使用状态；
第二路由路径计算模块，用于根据第二用户节点请求的波长信道，利用改进后的Dijkstra算法对所述节点集中纠缠光子源节点到第二用户节点之间的路径进行计算，得到第二路由路径；
锁定模块，用于利用所述锁定函数将第二路由路径中所有节点的相关输入输出端口标记为使用状态；
释放路径资源模块，用于构建释放函数，当所述第一用户节点和第二用户节点请求释放路径资源时，利用释放函数将第一路由路径和第二路由路径中所有节点的端口恢复为未使用状态，从而释放第一路由路径和第二路由路径消耗的纠缠网络链路资源。
6.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至4中任一项所述方法的步骤。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述的方法的步骤。
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